2. 内存管理基础回顾：虚拟内存与物理内存、页表与MMU、内存分配路径（伙伴系统与slab分配器）

在深入 OOM Killer 调优之前，必须牢固掌握 Linux 内存管理的核心基石。本章将回顾虚拟内存与物理内存的映射关系、页表与 MMU 的地址转换机制，以及内核的两大内存分配器——伙伴系统与 slab 分配器。这些概念是理解内存超卖和 OOM 触发条件的根本前提。

2.1 虚拟内存与物理内存

Linux 采用虚拟内存管理，每个进程拥有独立的 4GB（32位）或 128TB（64位）虚拟地址空间。虚拟地址通过页表映射到物理内存，实现隔离、共享与按需分配。

虚拟内存到物理内存的映射流程

1. 进程访问虚拟地址 0x7f123456。
2. MMU 查询页表，找到对应的页表项 (PTE)。
3. 如果 PTE 有效且 Present 位为 1，直接转换为物理地址。
4. 如果 Present 位为 0，触发缺页异常 (Page Fault)，内核分配物理页框并更新页表。
5. 如果物理内存不足，内核启动回收机制，可能触发 OOM Killer。

2.2 页表与 MMU

页表是虚拟地址到物理地址的转换表，MMU（内存管理单元）是硬件执行单元。Linux 使用多级页表（x86-64 为 4 级页表）来节省内存。

多级页表结构

虚拟地址分解（x86-64 4KB 页）：
| 47:39 (9 bit) | 38:30 (9 bit) | 29:21 (9 bit) | 20:12 (9 bit) | 11:0 (12 bit) |
|   PML4 索引   |  PDPT 索引    |   PD 索引     |   PT 索引     |  页内偏移     |

- PML4: 页全局目录（顶级）
- PDPT: 页上级目录
- PD:  页中间目录
- PT:  页表
- 偏移: 页内字节偏移

页表项 (PTE) 关键标志位

2.3 内存分配路径：伙伴系统与 slab 分配器

Linux 内核有两套内存分配器，分别服务于不同粒度的需求：伙伴系统 (Buddy System) 管理物理页框，slab 分配器 管理内核对象。

2.3.1 伙伴系统 (Buddy System)

伙伴系统以 2 的幂次阶 (order) 为单位管理空闲页框，解决外部碎片问题。核心数据结构是 free_area[] 数组，每个元素维护一个链表，链接对应阶的空闲页块。

伙伴系统分配流程

1. 请求分配 2^order 个连续页框。
2. 从 free_area[order] 链表查找空闲块。
3. 如果找到，直接分配；否则向上查找 free_area[order+1]。
4. 将大块分裂为两个伙伴块，一个分配，一个挂入低阶链表。
5. 释放时检查伙伴是否空闲，如果是则合并回高阶链表。

2.3.2 slab 分配器

slab 分配器用于分配内核对象（如 task_struct、inode、dentry），避免伙伴系统直接分配小对象造成的内部碎片。slab 分配器维护对象缓存，支持着色 (coloring) 优化硬件缓存行。

slab 分配器工作流程

1. 内核请求分配一个对象（如 kmem_cache_alloc(cachep, GFP_KERNEL)）。
2. 从对应 cache 的 空闲链表 获取对象。
3. 如果空闲链表为空，从伙伴系统分配新的 slab（一个或多个页框）。
4. 将 slab 划分为对象，初始化后加入空闲链表。
5. 释放时对象返回空闲链表；如果整个 slab 空闲，释放回伙伴系统。

2.4 内存分配路径总结

内核内存分配路径可概括为：

用户态/内核态请求内存
    │
    ▼
伙伴系统 (alloc_pages / __get_free_pages)
    │
    ├── 分配页框 → 直接返回
    │
    └── 分配失败
        │
        ├── 快速回收 (PF_MEMALLOC)
        ├── 直接回收 (shrink_node)
        └── OOM Killer (out_of_memory)
            │
            ▼
        选择 victim 进程 → 发送 SIGKILL